Blick in die Zukunft: ein neuer Baustoff - Kohlenstoffbeton

Kondratieva Tatyana

Block aus Kohlenstoffbeton

Verbundwerkstoffe haben weder Bauherren noch Kunden lange überrascht. Jeder kennt ihre einzigartigen Eigenschaften, ihre Fähigkeit, aggressiven äußeren Faktoren standzuhalten, ist viel besser als bei herkömmlichen Materialien. Das Leben steht jedoch nicht still und jedes Jahr tauchen in diesem Bereich neue Entwicklungen auf.

Einer von ihnen - Kohlebeton - ist es wert, im Detail erzählt zu werden. Über die Idee seiner Schaffung, Eigenschaften und Perspektiven der Umsetzung im Bauwesen.

Kohlefaser

Kohlefaser ist ein Material, das seit langem bekannt und in verschiedenen Bereichen der industriellen Produktion sehr gefragt ist. Aber ziemlich teuer.

Das Verfahren zur Herstellung von Graphitfilamenten besteht in der mehrstufigen Erwärmung von Polyacrylnitril- oder Viskosefasern in verschiedenen Medien auf die Karbonisierungsstufe. Als Ergebnis erscheint ein Material, das aus reinem Kohlenstoff besteht.

Kohlefasereigenschaften

Die Dicke der Kohlefaser beträgt nur 5-10 Mikrometer, was dünner als bei menschlichem Haar ist. Es besteht aus Ketten von Kohlenstoffatomen, die in einem Kristallgitter angeordnet sind.

Kristallstruktur von Kohlenstoffilamenten

• Für die Herstellung von Fasern werden die Fäden zu Bündeln verbunden, in denen sich bis zu 50.000 befinden können.
• Welche Eigenschaften des Materials erregten Aufmerksamkeit und erlaubten es, es bei der Herstellung von Strukturen zu verwenden, die unter schwierigsten Betriebsbedingungen arbeiten?
• Erstens ist es eine einzigartige Zugfestigkeit. Es ist viermal der gleiche Indikator für die besten Stahlsorten.

Das ist interessant. Zum Brechen eines 5 mm dicken Kohlefaserstabes ist eine Kraft von 2500 kg erforderlich. Während der gleiche Gusseisenstab bei 150 kg zusammenbricht.

Die Dichte der Kohlefaser ist viermal niedriger als die des gleichen Stahls. Dementsprechend wiegt das Material viermal weniger.

Wo wird Kohlefaser verwendet?

Verbundwerkstoffe, bei denen Kohlefaser als Verstärkungselement verwendet wird, werden im Maschinen- und Flugzeugbau, bei der Herstellung von Sportgeräten und beim Bau verwendet.

Wir sind am Bau interessiert, deshalb wollen wir uns mit diesem Anwendungsbereich befassen:

• Kohlefaser ist hier die Basis für die Verstärkung von Bändern, Bahnen und sogar Verbundbewehrungen für Betonkonstruktionen.
• Bänder und Leinwände aus Graphitfäden sind ein spezielles Webtextilmaterial, das mit Harzen imprägniert ist.
• Verstärkung sind Stäbe aus Kohlenstofffasern, die mit gehärtetem Polymerbindemittel imprägniert sind.

Als Referenz. Um eine zuverlässige Haftung auf Beton zu gewährleisten, wird eine Sandbeschichtung auf die Oberfläche der Stäbe aufgebracht oder es werden hervorstehende Rippen gebildet.

Kohlefaser hat eine sehr hohe Festigkeit, daher werden mit ihrer Hilfe neue Designs verstärkt oder verlorene Eigenschaften an alte zurückgegeben.

Mit Kohlefasergewebe verstärkte Brückenträger

All dies hat wenig mit Kohlenstoffbeton zu tun. Aber es waren die besonderen Eigenschaften von Kohlenstofffasern, die deutsche Wissenschaftler dazu veranlassten, über die Schaffung eines neuen Materials nachzudenken.

Was ist Kohlebeton?

Wissenschaftler des Dresdner Instituts für monolithischen Bau haben beschlossen, die Metallbewehrung in Beton durch Kohlefaser zu ersetzen. Vielmehr wird daraus ein Textilmaterial durch Weben erhalten, um eine spezielle Gitterstruktur zu erhalten.

Als Ergebnis erhielten sie Material, das buchstäblich alle heute bekannten Betonsorten übertrifft. Mit viel größerer Festigkeit und geringerem spezifischen Gewicht.

Trotz der offensichtlichen Einfachheit der Erfindung haben Chemiewissenschaftler mehrere Jahrzehnte daran gearbeitet, um sicherzustellen, dass Kohlefasertextilien zuverlässig an der Betonmischung haften. Zu diesem Zweck wird es mit einer speziellen Beschichtung behandelt, deren Zusammensetzung vom Hersteller noch geheim gehalten wird.

Technologien zur Herstellung von Kohlenstoffbetonprodukten

Derzeit wurden zwei Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoffbetonprodukten entwickelt:

1. Eine Reihe von Schichten. Die Technologie besteht darin, Textilgewebe auf Beton zu schichten und anschließend zu gießen. Das heißt, Textil wird auf die Mischungsschicht gelegt, mit einer dünnen Betonschicht gegossen und so weiter abwechselnd, bis die erforderliche Dicke erreicht ist.
2. In die Schalung gießen. Die traditionelle Art und Weise, bei der die Kohlefaserverstärkung zuerst in der Schalung oder Schalung fixiert wird, wird dann die Betonmischung gegossen.

Beton in die Form gießen

Materielle Vorteile

Kohlenstoffbeton bietet gegenüber Stahlbeton folgende Vorteile:

• Es ist viel leichter, was den Bau erleichtert und beschleunigt;
• Kohlebeton ist um ein Vielfaches stärker;
• Es reißt nicht und die Bewehrung im Inneren rostet nicht, während Stahlbeton aus diesem Grund im Laufe der Zeit zu verschlechtern beginnt.

Zerstörung einer Stahlbetonkonstruktion

• Aufgrund der letzten beiden Punkte ist Kohlenstoffbeton wesentlich haltbarer und zuverlässiger als Analoga mit Metallbewehrung.

Das einzige Minus des Materials sind die hohen Kosten. Wenn wir jedoch berücksichtigen, dass die daraus hergestellten Strukturen extrem langlebig sind und viele Jahre lang nicht repariert und rekonstruiert werden müssen, wird dieses Minus durch die Dauerhaftigkeit des Betriebs ausgeglichen.

Mögliche Anwendungen

Bisher haben Entwickler bereits eine Anwendung für dieses einzigartige Material gefunden. Sie haben damit insbesondere alte Gebäude von historischem Wert in zwei deutschen Städten rekonstruiert. Ohne ihre Hilfe müssten diese Gebäude abgerissen werden.

Ein Anwendungsbereich ist die Rekonstruktion abgenutzter Strukturen

In Zukunft ist die Verwendung von Kohlenstoffbeton im Neubau geplant. Ein Experiment zum Bau eines vier Meter langen Pavillons aus komplexen Elementen mit einer Dicke von 4 Zentimetern wurde bereits durchgeführt. Es ist unmöglich, ein solches Gebäude aus Stahlbeton zu bauen, und es unterscheidet sich nicht in der erforderlichen Festigkeit.

Wissenschaftler erhalten auch heute noch Anfragen aus der ganzen Welt, in denen viele Stahlbetongebäude dringend rekonstruiert werden müssen. Sie hoffen wiederum, dass in zehn Jahren das Verhältnis von Kohlenstoffbeton und Stahlbeton im Bauwesen 1: 4 betragen wird.